چکیده
   در مدار فیلتراسیون کارخانة زغالشویی زرند کنسانترة فلوتاسیون که بصورت پالپ است، برای جداسازی جامد از آن و کاهش رطوبت جامد وارد مرحلة فیلتراسیون می شود. فیلتر از سطح متخلخلی که منافذ آن برای عبور مایع مناسب هستند ولی از عبور دانه های جامد جلوگیری می کنند، تشکیل شده است. معمولاً برای کاهش رطوبت ذرات زیر mm 10 از فیلترهای تحت خلاء گردان و از نوع دیسکی برای ذرات زیر mm 6/0 استفاده می شود. با توجه به اینکه در کنسانترة فلوتاسیون زغال 85% ابعاد زیر mm 5/0 است، لذا روش فیلتراسیون خلاء در کارخانة زغالشویی زرند انتخاب شده است. با توجه به لزوم استفاده از کمک فیلتر بدلیل وجود بیش از 50% ذرات کوچکتر از 75 میکرون در پالپ ورودی، آزمایش افزودن کمک فیلتر با 4 مقدار 250، 300، 350 و 400 گرم برتن انجام شد که مقدار 400 گرم بر تن کمک فیلتر بهترین کارایی را با افزایش ضخامت کیک 5/7 میلی متر و کاهش درصد رطوبت کیک 3/1 درصدی نسبت به مقادیر دیگر ایجاد کرد. همچنین با انجام آزمایش در مقدار بهینة 400 گرم بر تن در یک شیفت کاری کارخانه به مدت 5 ساعت نتایج به دست آمده با توجه به نوسانات سیستم بررسی شد که مقدار افزایش ضخامت1/5 میلی متر و کاهش درصد رطوبت 1 درصدی حاصل شد.

کلمات کلیدی: فیلتراسیون، کمک فیلتر، زغالسنگ، رطوبت کیک، ضخامت کیک 
  

 پیش گفتار:
     مقدمه
   بطور کلی در تمام کارخانه های فرآوری که دارای مدار فلوتاسیون می باشند، کنسانترة فلوتاسیون که بصورت پالپ است، برای جداسازی جامد از آن و کاهش رطوبت جامد وارد مرحلة فیلتراسیون می شود. فیلتر از سطح متخلخلی که منافذ آن برای عبور مایع مناسب هستند ولی از عبور دانه های جامد جلوگیری می کنند، تشکیل شده است. عبور مایع از سطح فیلتر در اثر ایجاد اختلاف فشار در دوطرف آن انجام می شود. این اختلاف فشار ممکن است در اثر نیروهای ثقلی، فشاری، خلأ یا گریز از مرکز باشد.
   با توجه به ماهیت زغال و نیاز به محصولی با حداقل میزان گوگرد و خاکستر، همواره فرآیندهای شستشوی زغال و آبگیری از زغال شسته شده از اهمیت خاصی برخوردار بوده است. بنابراین تأثیر منفی رطوبت موجود در محصول زغال شسته شده به اندازة تأثیر خاکستر برای تولید کننده گان دارای اهمیت است. کاهش ارزش حرارتی زغال، افزایش هزینه های حمل و نقل، مشکلات اساسی در حمل و نقل، افزایش بی رویة وزن زغال در فرآیند کک سازی، کاهش بازیابی وزنی کیک و کاهش بازدهی کوره های کک سازی، ناشی از وجود رطوبت در زغال شسته شده است. معمولاً برای کاهش بیشتر رطوبت (برای ذرات زیر 10 میلی متر) از فیلترهای تحت خلاء و برای ذرات زیر 6/0 میلیمتر از نوع فیلتر دیسکی استفاده می شود]1 [.

معادلات فیلتراسیون دربارة تشریح عملکرد فیلتراسیون معادلات و نظریات مختلفی وجود دارد. معمولترین آنها معادلاتی است که بر مبنای نظریة Darcy و Poiseuille نوشته شده اند. در نظریة دارسی همانگونه که در معادلة (1) آمده است در هر دو نوع فیلتر فشاری و خلاء جریان آب فیلتر در اثر یک افت فشار ایجاد می شود که تابعی از زمان است. - مقدار Z سرعت تشکیل کیک (وزن جامد موجود در کیک به ازاء واحد سطح فیلتر و واحد زمان) نامیده می شود. این مقدار را می توان در خارج قسمت زمان تشکیل کیک بر زمان سیکل فیلتر ضرب کرد و بدین ترتیب معادله ای بین سرعت تشکیل کیک و زمان سیکل فیلتر بر قرار کرد. کمک فیلتر کمک فیلترهای شیمیایی برای پالپهای مواد معدنی معمولاً به دودستة فلوکولانتها و فعال کننده های سطح تقسیم می شوند که هم می توان بصورت جداگانه و هم بصورت ترکیبی آنها را مورد استفاده قرار داد. در صنایع از هردو نوع مادة شیمیایی استفاده می شود، که کارخانه های فرآوری کانیهای سولفیدی و غیر سولفیدی مانند اورانیوم و باقیمانده های محصول لیچینگ طلا و زغال از جمله این صنایع می باشند ]4[. فعال کننده های سطح فعال کننده های سطح نوع دیگری از کمک فیلتر می باشد که به منظور کاهش رطوبت، قبل از فیلتر کردن به پالپ اضافه می شود. اگر خلل و فرج در کیک فیلتر به خوبی ایجاد شود، استفاده از فعال کنندة سطح هم می تواند رطوبت را تا چندین درصد در فیلتراسیون خلاء کاهش دهد. یک مولـکول سادة فعـال کنندة سطـح، دارای یک بخش قطبی و یونیزه شونده و یک گروه آبران (معمولاً یک گروه زنجیر بلند یا کوتاه هیدرو کربن ) می باشد. نوع و تعداد گروههای آبدوست در وسعت جذب فعال کننده ها در سطح جامد و طول زنجیرة کربن، بر حلالیت و متفرق شدن مولکولها در آب مؤثر هستند]4[. مکانیزمی که تااکنون برای عمل فعال کننده ها پذیرفته شده بدین صورت است که فعال کننده های سطح تنش سطحی بین هوا و آب را کاهش می دهند و با این عمل باعث کاهش نیروهایی می شوند که باعث باقی ماندن آب در فضاهای موئینی کیک می شوند. داده های بدست آمده ، نشان می دهند که با یک کاهش کوچک در تنش سطحی رطوبت می تواند به طور اساسی کاهش پیدا کند. بدلیل اینکه فعال کنندة جذب شده برروی سطح جامد ، آنها را بیشتر آبران می کند]4[. مطالعات برروی زاویة تماس نشان می دهد که فعال کنندة سطح می تواند آبرانی را افزایش دهد. یک معادله برای بالا رفتن موئینگی تابعی از زاویة تماس است و افزایش در زاویه تماس ( افزایش آبرانی )، موجب کاهش در نیروهای موئینگی می باشد، که نتیجه اش کاهش در تنش سطحی می باشد. ساختار فعال کننده های سطح ( مخصوصاً طول زنجیرة هیدروکربن ) تعیین کنندة آبرانی نسبی آن می باشد و عمل آبگیری بهتر با استفاده از فعال کننده های آبران تر بدست می آید]4[. در مورد میزان مصرف فعال کننده ها باید متذکر شد که، مقادیر زیاد فعال کنندة سطح می تواند باعث افزایش رطوبت کیک شود. مکانیزم آن بدین صورت است که در مقدار بهینه، مولکولهای فعال کنندة سطح با دنبالة آبران خود درمحلول جذب می شوندوباعث آبران شدن سطح و کاهش رطوبت می شوند. در مقادیر بالاتر از حد بهینه همی میسل ها تشکیل می شوند که مانند جذب چند لایه ای است و لایة دوم سطح آبدوست دارد. این مسئله باعث می شود که ذرات جامد آبدوست شوند و باعث بالارفتن رطوبت شوند]4[. کمک فیلتر AERODRI 104 از جمله فعال کننده های سطح است که بطور وسیع در صنایع معدنکاری برای کاهش رطوبت کیک فیلتر و افزایش نرخ فیلتراسیون، بهبود حمل و نقل کیک فیلتر و کاهش گرفتگی منافذ پارچه فیلتر، استفاده می شود. کاربرد این نوع کمک فیلتر برای فیلتراسیون کنسانترة فلوتاسیون کانیهای سولفیدی و غیر سولفیدی، زغال سنگ و آلومینای هیدراتة ته نشین شده از فرآیند بایر می باشد. مقدار مصرفی آن برای بدست آوردن بهترین کارآیی در موارد مختلف متفاوت است واز 25 تا 500 گرم بر تن قابل تغییر است. قابل ملاحظه است که این مقادیر می توانند به صورت خالص یا رقیق شده به خوراک فیلتر اضافه شوند. بالاتر از مقدار حد بهینه این نوع کمک فیلتر، خصوصیات کیک فیلتر به ناگهان تغییر می کند. ]5[ معرفی مدار فیلتراسیون کارخانة زغالشویی زرند مدار فیلتراسیون مانند بقیه قسمت های کارخانه دارای دو خط بابنیزو و پابدانا می باشد. از نظر خصوصیات بار ورودی این دو خط نزدیک به هم هستند. کنسانترة نهایی هر خط وارد مخزن جمع کننده (کلکتور) مربوط به آن و از آنجا بین فیلترهای خلأ تقسیم و توزیع می شود. هر فیلتر بصورت جداگانه توسط دو لوله از دو طرف و از زیر کلکتور تغذیه می شود. پالپ وارد وان فیلتر شده و در اثر مکش پمپ های خلأ کیک برروی دیسک تشکیل می شود و در ادامة سیکل فیلتر، کیک در اثر فشار هوای دمشی از روی دیسک جدا می شود. کیک محصول فیلتر از محلهای تخلیة مخصوص در داخل وان فیلتر عبور کرده و در طبقة زیرین برروی نوار نقاله ریخته و به خشک کن منتقل می شود. آب حاصل از عمل فیلتراسیون و آبگیری به درون حوضچه هایی واقع در طبقة همکف منتقل و از آنجا بعد از جمع آوری آب فیلتر های همة فیلتر ها برای فرآوری مجدد ذرات موجود در آن، به فلوتاسیون پمپ می شوند. روش پژوهش طرح افزایش کمک فیلتر در دو مرحله انجام گرفت، در مرحلة اول افزودن چهار مقدار مختلف کمک فیلتر به مدار فیلتراسیون مورد آزمایش قرار گرفت و در مرحلة بعد سعی شد مقدار بهینة بدست آمده در یک شیفت کاری کامل کارخانه آزمایش شود تا صحت نتایج حاصل از آزمایش مقدار بهینه در مرحلة اول تأیید شود. مرحلة اول برای مهیا کردن شرایط کاملاً ثابت برای مقادیر مختلف آزمایش شده و کم کردن تأثیر اشکالات مکانیکی برروی نتایج بدست آمده، در این مرحله کلیة آزمایشها برروی فیلتر 7-357 در خط بابنیزو انجام شد. نمونه گیری از دیسک سوم و از یک قطاع مشخص و نمونه های درصد جامد از پالپ ورودی به وان فیلتر انجام شد. همچنین به منظور تهیة محلول مورد نظر و تنظیم مقدار افزودن محلول به مدار، یک مخزن فلزی با ابعاد 200×100×100 سانتی متر همراه با یک همزن، تهیه شد ودر ارتفاع بالاتر از ناو کنسانترة ورودی به مدار فیلتراسیون قرار گرفت. محل اضافه کردن محلول به کانال انتقال کنسانترة نهایی فلوتاسیون خط باب نیزو، قبل از ورودی به مدار فیلتراسیون در نظر گرفته شد (شکل 1) . مقادیر مورد نظر برای برای آزمایش، 250، 300، 350 و 400 گرم برتن جامد خشک در نظر گرفته شد، که بدلیل محدودیت عملیاتی و در نظر گرفتن محدودة کاری AERODRI 104 این چهار مقدار انتخاب شدند. هر کدام از این مقادیر در سه نوبت جداگانه در سه روز متفاوت آزمایش شدند. مقدار تناژ جامد خشک ورودی به فیلتراسیون خط بابنیزو بدین صورت محاسبه شد که مقدار t/h 140 تناژ خوراک خام ورودی کارخانه در خط بابنیزو است که 40% آن سهم فلوتاسیون می باشد و با راندمان 50% فلوتاسیون مقدار t/h 28 جامد خشک وارد مدار فیلتراسیون می شود. 28=50%×40%× 140 تن بر ساعت شکل 1- طرح مخزن آماده سازی کمک فیلتر و محل اضافه کردن محلول کمک فیلتر نحوة آزمایش و نمونه گیری هر کدام از مقادیر بدین صورت انجام گرفت: 1- تهیة محلول 3% از کمک فیلتر در مخزن مورد نظر 2- تنظیم و آماده کردن شرایط نمونه گیری برروی فیلتر مورد آزمایش، از جمله ثابت کردن سرعت گردش فیلتر برروی rpm 71/0 و ثابت شدن فشار مکش بمیزان atm 6/0 3- نمونه گیری اولیه بدون کمک فیلتر، بصورت چهار نمونه با فواصل زمانی 15 دقیقه ای انجام شد که نتایج حاصل از آن به عنوان مبنای تغییرات در حالت استفاده با کمک فیلتر در نظر گرفته شد. 4-اضافه کردن محلول 3% از کمک فیلتر با یک دبی مشخص در مقادیر مورد نظر در هر آزمایش به پالپ ورودی مدار فیلتراسیون 5-در نظر گرفتن 10 دقیقه زمان ماند در مدار فیلتراسیون 6-نمونه گیری با کمک فیلتر با چهار نمونة در فواصل زمانی 15 دقیقه ای 7-انجام رطوبت سنجی برروی نمونه ها و درنهایت مقایسة نتایج بدست آمده از رطوبت و ضخامت کیک با حالت بدون کمک فیلتر مرحلة دوم با توجه به نتایج بدست آمده از مرحلة اول، مقدار بهینة افزودن کمک فیلتر به مدار فیلتراسیون تعیین شد. در این مرحله، برای در نظر گرفتن نوسانات عملیاتی کارخانة زغالشویی تصمیم گرفته شد که تأثیرات این مقدار بهینة کمک فیلتر برروی کارایی فیلتراسیون در یک شیفت کامل کاری کارخانه بررسی شود. بدین منظور محلول کمک فیلتر در مدت زمان 5 ساعت مداوم به مدار فیلتراسیون اضافه شد. در ابتدا بدون افزودن کمک فیلتر و در حالت عادی عملیاتی چهار نمونه با فواصل 15 دقیقه ای به عنوان مبنای تغییرات گرفته شد. بعد از آن با افزودن محلول کمک فیلتر (با مقدار بهینة بدست آمده از مرحلة اول) به مدار فیلتراسیون، 10 نمونه با فواصل 30 دقیقه ای گرفته شد. کلیة نمونه ها از نظر رطوبت و ضخامت کیک فیلتر بررسی و نتایج ارائه شد. ارائة یافته ها و نتایج مرحلة اول در مرحلة اول از این تحقیق طبق الگوی گفته شده، محلول کمک فیلتر برای هر مقدار مشخص با یک دبی معین به ناو کنسانتره اضافه شد. نحوة محاسبة دبی مورد نظر برای یک مقدار به عنوان نمونه برای مقدار 400 گرم بر تن در ذیل آمده است. . محلول 3% با دبی cm3/h362460 که معادل cm3/s 101 است باید به ناو کنسانتره وارد شود تا مقدار gr/t 400 مصرف شود. با انجام نمونه گیری برای هر مقدار کمک فیلتر و تعیین درصد رطوبت و ضخامت کیک فیلتر، نتایج با حالت بدون کمک فیلتر (حالت مبنا) که قبل از اضافه کردن محلول انجام گرفت، مقایسه شد. نتایج بصورت میانگین کاهش درصد رطوبت و افزایش ضخامت کیک در سه نوبت انجام شده، در نمودارهای (1) و (2) بیان شده اند. بیشترین میانگین کاهش درصد رطوبت در سه نوبت آزمایش، مربوط به مقادیر 350 و 400 گرم بر تن است. میزان کاهش درصد رطوبت این دو مقدار نزدیک به هم می باشد که برای 350 گرم بر تن مقدار 4/1% و در مقدار 400 گرم بر تن 3/1% کاهش رطوبت حاصل شده است. در مقادیر 250 و 300 گرم بر تن پایین ترین کاهش درصد رطوبت بدست آمد که این مقادیر 3/0% در 250 و 5/0% در 300 گرم بر تن می باشند. همچنین با در نظر گرفتن ضخامت کیک فیلتر در هر مقدار کمک فیلتر، ملاحظه می شود که بیشترین افزایش ضخامت کیک حاصل شده mm 5/7 است که مربوط به مقدار 400 گرم بر تن می باشد. بعد از آن افزایش ضخامت کیک mm 6/4، حاصل از تأثیر مقدار 350 گرم بر تن بدست آمده است. افزایش ضخامت کیک حاصل از 250 و 300 گرم بر تن نسبت به مقادیر 350 و 400 گرم بر تن تأثیر چشم گیری نداشته و نزدیک به هم می باشند. با توجه به نتایج حاصل از این آزمایش که در سه نوبت اجرا شد، کمترین کاهش درصد رطوبت و افزایش ضخامت کیک مربوط به مقادیر 250 و 300 گرم بر تن می باشد و مقادیر 350 و 400 گرم بر تن دارای کاهش درصد رطوبت نزدیک به هم می باشند که مقدار 400 گرم بر تن دارای بیشترین افزایش ضخامت کیک است، پس مقدار بهینة کمک فیلتر در مدار فیلتراسیون 400 گرم بر تن تشخیص داده شد. با در نظر گرفتن افزایش 5/7 میلی متری ضخامت کیک فیلتر و 80 متر مربع سطح مؤثر دیسکهای یک فیلتر، می توان تناژ تولیدی کیک فیلتر را که در مدت زمان سیکل فیلتر (80 ثانیه طبق تنظیمات فیلتر در زمان آزمایش) محاسبه کرد، که این مقدار 30 تن بر ساعت افزایش تولید کیک فیلتر به ازای یک فیلتر می باشد. همچنین با تأثیر مقدار 350 گرم بر تن بر افزایش ضخامت کیک فیلتر به میزان 6/4 میلی متر، تناژ تولیدی کیک فیلتر را به مقدار 18 تن بر ساعت افزایش داده شده است. مرحلة دوم مقدار بهینة 400 گرم بر تن کمک فیلتر بدست آمده از مرحلة اول در سه نوبت جداگانه در مدت یک ساعت بدست آمده است. با آزمایش مقدار بهینه در طول یک شیفت کاری به مدت 5 ساعت، نتایج بدست آمده با توجه به نوسانات بار ورودی حاصل شده اند و همچنین تأییدی بر نتایج مرحلة اول برای 400 گرم بر تن می باشند. میانگین رطوبت کیک فیلتر در طی نمونه گیری با کمک فیلتر 4/22% حاصل شد که این مقدار نسبت به حالت بدون کمک فیلتر 1% کاهش نشان می دهد. میانگین ضخامت کیک فیلتر در طول 5 ساعت با استفاده از کمک فیلتر 1/28 میلی متر بدست آمد، که 1/5 میلی متر نسبت به حالت بدون کمک فیلتر افزایش داشت. ملاحظه می شود که کاهش درصد رطوبت و افزایش ضخامت کیک فیلتر در حالت کاری یک شیفت کامل کمی کمتر از حالت آزمایشی مرحلة اول نشان می دهد که این مسئله می تواند ناشی از نوسانات درصد جامد و تغییرات پالپ ورودی به مدار فیلتراسیون باشد. نمودار 1- میانگین مقدار کاهش درصد رطوبت در سه نوبت آزمایش نمودار2- میانگین مقدار افزایش ضخامت کیک در سه نوبت آزمایش