Специализированные насосы как современное решение для ГОКов

Максим Дмитриев — главный инженер ООО «ТК «Решетилов и Ко».

Разработка месторождений цветных и драгоценных металлов подземным способом связана с целым рядом сложностей:

• загрязнение шахтной воды твердыми включениями;
• дорогостоящие мероприятия по содержанию водосборников;
• в ряде случаев шахтные воды имеют низкий уровень pH;
• большая глубина и высокая обводненность шахт.

Исторически сложилось, что подземные выработки обезвоживаются многоступенчатыми центробежными насосами типа «ЦНС» (главный водоотлив) и мембранными насосами с пневматическим приводом (по-простому «лягушка») для дренажа на участках проходки.

Насосы типа «ЦНС» имеют ряд преимуществ, первым из которых является их низкая стоимость. Помимо этого, целые поколения мастеров и механиков знакомы с обслуживанием данных агрегатов, а многие ремонтные цеха оснащены оборудованием для производства ряда запасных частей для этих насосов. Все это делает насосы типа «ЦНС» хорошим решением для неглубоких шахт с неагрессивной водой, где построены новые водосборники или есть возможность их качественно обслуживать. Однако в ряде случаев эксплуатация этих насосов может привести к повышенным издержкам и рискам.

Насосы типа «ЦНС» рассчитаны на работу с условно чистой водой. Большое содержание твердых включений, которое может быть связано со старым заиленным водосборником или его нерегулярным обслуживанием, приводит к абразивному износу балансирующего устройства — гидропяты. Это приводит к повышенным осевым нагрузками и, как следствие, выходу из строя подпшипников насоса. Если проблему не устранять вовремя, смещение вала насоса может привести к катастрофической поломке. Помимо простоев, постоянных временных и финансовых затрат на ремонт насосов, повышается риск затопления шахты в связи с непредвиденным выходом из строя насосного оборудования.

Рис. 1. Конструкция «самобалансирующегося» водоотливного насоса серии «GSB»

Одним из вариантом решения данной проблемы является установка «самобалансирующегося» насоса (рис. 1 и 2). В конструкции насосов используется четное количество рабочих колес расположенных «спина к спине». После прохождения половины рабочих колес поток воды отводится к другой группе рабочих колес, которые расположены в обратном направлении. Таким образом, даже самый высоконапорный насос практически не испытывает осевых нагрузок. За счет этого из конструкции насоса исключается его слабое место — гидропята, а подшипниковые узлы работают в «облегченном режиме», что существенно увеличивает межремонтные интервалы, делает эксплуатацию насоса предсказуемой и безопасной, а его обслуживание — плановым, редким и недорогим.

Рис. 2. Насос серии GSB готов к отгрузке

Примером такого рода насоса является специализированный агрегат для шахтного водоотлива серии «GSB» производства Scamont Engineering (ЮАР). Данные насосы также обладают рядом других преимуществ:
1. Широкий диапазон рабочих характеристик (напор до 1695 м, производительность до 1225 м³/ч), что подходит для сверхглубоких сильнообводненных шахт.
2. Исполнение из коррозионностойких материалов (в случае присутствия кислой шахтной воды).
3. Специальные покрытия или исполнение из высокохромистого чугуна в случае присутствия большого количества твердых включений.
4. Полный контроль параметров работы насосов, включая датчики вибрации, температуры подшипников, производительности, давления на всасе и нагнетании насоса.

Водоотливные насосы производства Scamont Engineering позволяют решить широкий спектр сложнейших задач шахтного водоотлива, но при редкой или плохой эксплуатации водосборников есть вероятность, что большинство преимуществ насоса будет поставлено под угрозу.

К примеру, нерегулярная чистка водосборника может привести к работе насоса в перегруженном режиме, повышенному энергопотреблению и износу, а возможно, и заклиниванию насоса. В случае нерегулярной чистки фильтров на всасе в насос к этим проблемам еще добавляются проблемы, связанные с кавитацией насоса, которые в дальнейшем могут привести к разрушению всей гидравлической части агрегата.

Для бесперебойной безопасной работы водоотливных станций систему можно дополнить высокопроизодительной безреагентной установкой удаления твердых включений крупнее 75–100 мкр (рис. 3).

Рис. 3. Безреагентная установка удаления крупных твердых включений в шахтной воде

Таким образом, на этапе ОТР/ТЭО нового рудника возможна оценка современного решения для шахтного водоотлива в сравнении с традиционными методами, с дальнейшим включением его в проект.

В случае уже существующей шахты возможно проработать техническое перевооружение насосной станции с переходом на оптимальную организацию шахтного водоотлива с учетом текущих условий.

Задачи участкового водоотлива и дренажа при проходке часто решаются с помощью мембранных насосов с пневматическим приводом. Преимуществами такого рода оборудования является относительно невысокая стоимость насосов, их небольшой вес и возможность работы во взырвоопасных условиях (за счет отсутствия электродвигателя). Однако данные насосы обладают рядом существенных недостатков, таких как: непродолжительный срок службы мембран при перекачке загрязненной воды, высокие эксплуатационные издержки (высокая стоимость выработанных кВт энергии за счет использования компрессора) и ограниченный диапазон подач.

На смену так называемых «лягушек» пришли погружные центробежные насосы. Среди многообразия такого рода агрегатов популярны недорогие отечественные насосы, которые имеют невысокий срок службы и часто неремонтопригодны, достаточно дорогостоящие иностранные насосы от крупных производителей и определенное количество производителей, которые находятся между двумя этими полюсами по соотношению стоимости и надежности.

Рис. 4. Погружной насос Solidpump на проходке шахты крупного производителя золота в РФ

Погружные насосы производства Solidpump Europe обеспечивают оптимальное соотношение капитальных и операционных затрат (рис. 4). При стоимости ниже продукции самых известных

• производителей, насосы Solidpump обладают большим количеством преимуществ, обеспечивающих надежность и высокую наработку:
• литой корпус обеспечивает прочность и цельность агрегата при его перемещении по выработке;
• проточная часть из высокохромистого чугуна для износостойкости при работе с грязной шахтной водой;
• работа «всухую» за счет рубашки охлаждения перекачиваемой жидкостью и наличия встроенного датчика перегрева обмоток электродвигателя;
• агитатор на шламовых насосах для подъема слежавшегося осадка;
• в линейке оборудования также имеются насосы, изготовленные полностью из нержавеющей стали, что обеспечивает длительную службу при откачке кислых шахтных вод.

Шламовые насосы Solidpump рассчитаны для работы с жидкостями, содержащими большое количество твердых включений. За счет агитатора насосы не только обезвоживают выработки, но и забирают твердые включения, находящиеся в воде. Так насосы серии TBD за счет их компактности и легкого веса идеально подходят для откачки так называемой чачи или мульки — грязи, скапливающейся в забоях, а также возле конвейеров. Более тяжелые и тихоходные насосы серии TBS отлично справляются с задачей чистки водосборников-отстойников (рис. 5).

Высоконапорные (напор до 180 м) дренажные насосы серии MH отлично подходят для задач участкового водоотлива или, в малообводненных выработках, даже для главного. Все насосы Solidpump предназначены для работы с загрязненной водой или шламом, следовательно, они не требуют дорогого обустройства и эксплуатации водосборников. Погружная конструкция насосов (степень защиты IP68) обеспечивает следующие преимущества: не нужно организовывать подпор и изготавливать фундамент для монтажа, есть возможность свободно перемещать насос от одного участка шахты к другому, насос не выйдет из строя в случае затопления.

Рис. 5. Зачистка водосборника шламовым насосом серии TBS

Погружные насосы Solidpump серии MH также привлекательно смотрятся для карьерного водоотлива. С учетом их мобильности, их легко демонтировать на время проведения буро-взрывных работ. По мере заглубления выработки, напор легко наращивать, добавляя зумпфы по горизонтам. Производительность водоотлива легко регулировать, добавляя дополнительные единицы насосов по мере необходимости.

Погружные насосы Solidpump также существенно упрощают вопросы дренажа на фабриках, т.к. не требуют организации монтажных рам, легко перемещаются в случае необходимости. Агрегаты серии TBS с агитатором являются идеальным решением для устранения последствий аварий. Мобильная конструкция и агитатор позволяют полностью зачистить зумпф, в отличии от полупогружных насосов фиксированной установки. Цианосодержащие проливы не являются проблемой для погружных насосов Solidpump, т.к. в контакте с перекачиваемой средой отсутствуют составные части из цветных металлов. Для дренажа на реагентных секциях используются насосы серии TS, изготовленные полностью из нержавеющей стали (рис. 6).

Рис. 6. Насос Solidpump TS полностью из нержавеющей стали 

Для дозирования реагентов на фабриках часто используются мембранные насосы с электрическим приводом. Они являются хорошим решением для относительно небольших реагентных секций в силу большого количества возможных материалов исполнения. Там, где требуется дозирование производительностью несколько м3/ч, мембранные насосы с электрическим приводом становятся достаточно дорогостоящим и сложным в эксплуатации решением.

Мембранные насосы с пневматическим приводом способны перекачивать десятки кубометров реагента в час и являются недорогим в закупке решением, но в эксплуатации выходят существенно дороже электрических насосов по причине высокой себестоимости производства сжатого воздуха и стоимости обслуживания пневматической системы. Также регулировка производительности пневматического насоса требует установки дополнительных регулирующих клапанов, которые в случае необходимости автоматического управления (верхний уровень АСУ ТП) являются сложным и дорогостоящим решением.

Выходом из ситуации для крупных реагентных секций является использование перистальтических (шланговых) насосов с электрическим приводом. В этом случае частотные преобразователи регулируют производительность насосов автоматически верхним уровнем АСУ ТП или вручную из диспетчерской. Очень простая конструкция перистальтических насосов позволяет существенно облегчить техническое обслуживание реагентного отделения.

Перистальтические насосы LSM (Дания) подходят для использования на участках дозирования даже самых крупных фабрик за счет наличия сверхпроизводительных моделей. Другим преимуществом перистальтических насосов является их неприхотливость при работе с абразивными продуктами, так как в контакте с перекачиваемой жидкостью находится только шланг насоса, выполненный из абразивостойких материалов. Это делает их идеальным решением для дозирования пульпы известняка или известкового молока.

Рабочими органами насосов LSM являются ролики, которые обеспечивают большую энергоэффективность и наработку по сравнению с насосами с зажимными башмаками. Например, внедрение трех насосов LSM на участке дозирования известковой пульпы на крупный адсорбер электростанции Vattenfall A/S в городе Водсков (Дания) позволило сократить операционные издержки (стоимость электроэнергии, запчастей и ремонтов) на 50 % в период эксплуатации 17 тыс. ч (рис. 7).

Рис. 7. Перистальтические насосы LSM для дозирования известковой пульпы

Применение перистальтических насосов показывает наиболее ощутимые результаты на таких задачах, как разгрузка сгустителей обогатительных фабрик (нижний слив), где пульпа/ паста обладают высокими концентрациями твердых включений и/или плотностью.

LSM отличает от других производителей перистальтических насосов широкая линейка оборудования, включая самый производительный в мире перистальтический насос c диаметром шланга 200 мм, обеспечивающий производительность 300 м3/ч. Эти гиганты в мире перистальтических насосов позволят уйти от центробежных насосов, которые теряют эффективность на плотных сгущенных продуктах, даже на средних и крупных ГОКах (рис. 8).

Рис. 8. Крупнейший в мире перистальтический насос LSM-200 

Если на участках добычи и обогащения основными сложностями являются абразивные включения, то на ЗИФ к ним добавляются гидрометаллургические процессы, которые часто сопровождаются агрессивными компонентами и высокими температурами. Работа с токсичными растворами цианида, кислотными пульпами и горячими щелочными средами накладывает серьезные требования как на надежность, так и на безопасность насосного оборудования.

Часто сложные задачи в гидрометаллургических цехах ЗИФ по привычке решаются либо отечественными насосами типа Х/АХ (которые на фабриках обычно используются в реагентных секциях), либо центробежными шламовыми насосами, которые используются в цехах измельчения, классификации, флотации, сгущения и фильтрации.

Для определенных (простых) задач в ЗИФ в целях унификации насосного парка данная логика может быть применима, но многие задачи требуют более серьезного индивидуального подхода. Рассмотрим несколько из них.

Бактериальное, автоклавное окисление, процесс Albion

Подготовка упорных и особенно двойных упорных руд требует внедрения сложных гидрометаллургических процессов для того, чтобы добиться высоких показателей по извлечению.

Несмотря на различия и нюансы всех трех процессов окисления упорных руд, всех их объединяет наличие агрессивных компонентов в растворах и пульпах (как правило, в виде серной кислоты). Если чистые негорячие растворы серной кислоты достаточно легко перекачивать стандартными химическими насосами с торцевым уплотнением, то грязные горячие растворы и агрессивные пульпы требуют специального насосного оборудования для безопасного и бесперебойного функционирования цеха.

Рис. 9. Насос для агрессивных пульп SAMCO серии HM в исполнении из дуплексной стали

Южноафриканская компания SAM Engineering специализируется на разработке и производстве центробежных насосов для сложных сред и условий применения. Особенностью подхода производителя является:

• подбор специальных материалов изготовления агрегата под конкретное применение/технологическую задачу;
• широкая линейка оборудования под различные среды (агрессивные, абразивные, горячие, кристаллизующиеся/выпадающие в осадок, среды, содержащие воздух, или комбинацию этих условий);
• усиленные/переразмеренные узлы для тяжелых условий применения;
• специальные компоненты и конфигурация насосной группы под конкретную задачу.

К примеру, для участка очистки отходящих газов автоклава (содержание серной кислоты, высокие температуры) используются насосы серии CPO в исполнении из супердуплексной стали.

Рис. 10. Схематическое изображение насоса SAMCO CPO с двухступенчатым гидродинамическим уплотнением

Для кислотных пульп используются насосы серии HM, которые представляют собой вариацию центробежных шламовых насосов (толстостенное закрытое рабочее колесо, сменные передняя и задняя пластины износа, прочный корпус насоса, усиленный подшипниковый узел) в исполнении из дуплексной или супер-дуплексной стали (рис. 9). Эти материалы исполнения являются идеальными для такой задачи, т.к. сочетают в себе высокую химическую стойкость с высокой стойкостью к абразиву (по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями).

Процесс адсорбции-десорбции

Наиболее амбициозной задачей для насосного оборудования в так называемом процессе ADR является перекачка горячего щелочно-цианистого раствора на участке десорбции. Вызовами на данном участке являются высокая температура (что требует держать систему под высоким давлением для предотвращения кавитации), токсично-агрессивная среда и нередко наличие твердых включений в растворе.

Часто для перекачки горячих растворов экстракции используют насосы с гильзованным электродвигателем, типа «ЦГ». Преимуществом данного типа насосов является его безопасность в силу герметичности конструкции. При этом, к сожалению, насосы с гильзованным электродвигателем в большинстве своем рассчитаны для работы с чистыми жидкостями, что крайне редко встречается на участках адсорбции-десорбции. Следствием этого является постоянный выход из строя насосов, простой производства и повышенные операционные издержки.

Решением этого вопроса будет подбор оптимальной системы уплотнения вала для центробежного насоса. В зависимости от условий на участке это может быть один из следующих вариантов.

Применение гидродинамического уплотнения (вплоть до трех ступеней) со статическим уплотнением в виде сальника с графитовой пропиткой возможно при условии круглосуточного режима работы насоса и если давление в системе не превышает 3,5 атм. Это решение позволяет уйти от системы подачи затворной жидкости в уплотнение насоса, при этом сохранив надежность системы (рис. 10).

Рис. 11. Насос SAMCO CPO с замкнутой системой гидроподпора

При давлении в системе более 3,5 атм, необходимо применение двойного торцевого уплотнения с обвязкой по одному из следующих сценариев.

В случае возможности организации подачи затворной жидкости на уплотнение с давлением, превышающем давление системы — организуется ее подвод через систему регулирования и контроля уплотняющей жидкости.

В случае невозможности организации подачи затворной жидкости и/или обеспечения ее давления, превышающего давление в системе, устанавливается закрытая система смазки уплотнения с подключением к сжатому воздуху с давлением, превышающем давление в системе насоса (рис. 11).

Рис. 12. Насос SAMCO HS90 во взрывозащищенном исполнении в составе комплекса насосов для установки «Меррилл-Кроу» одного из крупнейших производителей золота в России 

В сочетании с насосом, выполненным из подходящего материала и возможностью перекачивания твердых включений, такого как SAMCO серии CPO или CPS, любой из вышеописанных сценариев обеспечит продолжительную, безопасную, бесперебойную работу участка десорбции.

Процесс «Меррилл-Кроу»

На ЗИФ после кучного выщелачивания для извлечения металла из продуктивного раствора используют процессы цементации на цинке, чаще всего — его разновидность — процесс «Меррилл-Кроу». Отличием последнего процесса от классической цементации является использование цинковой пыли вместо стружки (для увеличения эффективности) и внедрение этапа деаэрации раствора для уменьшения расхода цинка (в силу предотвращения его окисления кислородом воздуха).

Техническими вызовами для на сосного оборудования установки «Меррилл-Кроу» является необходимость откачивания раствора из башни деаэрации (практически под абсолютным вакуумом) и подача с высоким давлением на фильтр-пресс при большом диапазоне производительности. Насос на данном участке должен обладать следующими свойствами:

• cверхнизкий NPSH для предотвращения кавитации при откачке из вакуума;
• высокий дифференциальный напор для создания нужного давления для обеспечения эффективной фильтрации;
• отсутствие деталей из цветных металлов в контакте с перекачиваемой средой (наличие цианида в растворе);
• надежная система уплотнения для исключения проникновения воздуха в раствор;
• взрывозащищенное исполнение (в связи со взрывоопасностью цинковой пыли).

Насосы SAMCO серии HS80 и HS90 производства SAM Engineering конфигурируются для оптимальной работы на установках «Меррилл-Кроу» (рис. 12).

Примеры из этой статьи показывают, что, к сожалению, универсального насоса, как и другого узла на ЗИФ — нет. Каждая технология и участок на ЗИФ имеют свою специфику. Подбор оптимального решения требует от поставщиков обширных знаний в разных типах насосов, свойствах материалов, особенностей обвязки. Но все эти знания можно должным образом применить, только имея опыт и понимание технологических процессов обогащения золотосодержащей руды и извлечения драгоценного металла.

ООО «ТК «Решетилов и Ко» многие годы сотрудничает с крупнейшими золотодобывающими предприятиями, проектными институтами и инжиниринговыми компаниями. Мы будем рады применить наш опыт для решения сложных и амбициозных задач на любом участке золотодобывающего предприятия: в горных выработках, на фабрике или на гидротехнических сооружениях.

Опубликовано в журнале «Золото и технологии», № 4 (54)/декабрь 2021 г.