難選煤泥浮選能量輸入試驗研究

難選煤泥浮選能量輸入試驗研究

煤炭分類是消除煤類有害和不必要的污染、降低碳排放和提高煤炭質量的重要手段。它對減少大氣污染和節(jié)省能源的運輸以及高碳能源和低碳利用發(fā)揮著重要作用。浮選是煤炭分選中處理細粒級煤泥的最有效分選方法之一,隨著機械化采煤程度的加大、煤田地質條件的惡化和選煤作業(yè)過程中次生煤泥的產(chǎn)生,原煤中粒度小于0.5mm的顆粒含量增大并呈微細化發(fā)展,細粒煤分選的難度大大增加,浮選在選煤中的應用將會越來越多。低碳經(jīng)濟、節(jié)能減排、產(chǎn)品質量都對浮選提出了更高的要求,浮選設備向大型化、分選精細化發(fā)展,主要體現(xiàn)在單位能耗處理能力提升,粗粒和微細粒煤泥高效選擇性回收。所以,研究煤泥浮選過程中能量消耗規(guī)律對改善其分選過程設計中的能量輸配具有指導意義。影響煤泥浮選的主要因素有煤泥的可浮性、入浮煤泥性質、藥劑制度、浮選工藝流程、浮選機性能和操作因素等。浮選能量的輸入對促進微細粒顆粒與氣泡的碰撞和黏附有重要作用,程宏志等對此進行了大量研究。Mohanty等認為攪拌在浮選過程中起很大作用,合適的攪拌能促進礦粒的懸浮以及礦粒和空氣的均勻分散,攪拌強度過低,礦粒無法實現(xiàn)有效礦化,過強的攪拌會促進氣泡兼并,增加礦粒從氣泡脫落的概率,影響精礦回收率和泡沫層的穩(wěn)定。楊福新根據(jù)功率準數(shù)公式Np=K·Rex(其中,Np為功率準數(shù);K和x均為系數(shù);Re為雷諾數(shù))得到了功率準數(shù)與雷諾數(shù)的功率曲線。曾克文利用PDA對浮選槽內(nèi)的礦漿速度進行測定,計算的混合區(qū)脈動頻率較低,能夠傳遞較強的能量,分離區(qū)的脈動頻率適于礦物顆粒的分離。Changunda等通過振蕩浮選機的能量輸入試驗得出浮選速率常數(shù)與能量的輸入呈線性增長關系。陳志希等利用扭矩傳感器對常用的推進式、渦輪式、漿式、折槳式等攪拌器繪制了24條功率曲線,為同類攪拌器結構參數(shù)設計和功率選擇提供了便利。鐘麗等用Fluent流體力學軟件對湍流區(qū)、過渡流區(qū)和層流區(qū)不同雷諾數(shù)的流場進行了模擬。趙秋月等利用扭矩傳感器研究了管式攪拌反應器的功率特性。在此,本文作者針對煤泥浮選過程中的能量消耗問題,提出用扭矩傳感器測量浮選機軸扭矩并轉換為浮選所消耗的能量,設計5次刮泡的浮選速度試驗,探索浮選過程中能量輸入與浮選指標的關系。1試驗材料和方法1.1煤樣漂浮試驗試驗煤樣取自唐山開灤礦區(qū)的浮選入料,煤種為肥煤,屬于難選煤泥。試驗用捕收劑為煤油,起泡劑為仲辛醇,稀釋煤樣溶劑為蒸餾水。煤樣粒度分析結果如圖1所示。從圖1可以看出:該煤樣以細粒級為主,適于浮選的粒度為0.250~0.074mm的含量(質量分數(shù),下同)為48.32%,粒度低于0.074mm的煤樣含量為38.45%,其中粒度低于0.045mm的煤樣含量為16.73%,灰分含量達到27.08%,極易導致高灰細泥對精煤產(chǎn)生污染。煤樣浮沉試驗結果如表1所示。從表1可見:中間密度級含量較高,如1.4~1.5g/cm3密度級產(chǎn)率為22.27%,灰分含量為16.02%,而1.5~1.6g/cm3密度級灰分含量達到24.50%,說明其可燃體與非可燃體之間可能是層狀結構或者是均勻結構,有部分連生體礦物的存在,很難同時得到低灰精煤和高灰尾煤。1.2測試方法1.2.1測試系統(tǒng)組成建立浮選能量輸入測試系統(tǒng),試驗設備包括浮選設備和功耗測試設備。浮選設備采用實驗室型XFDⅢ0.75L充氣攪拌式浮選機,由外部氣泵給氣;功耗測試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)轉換和數(shù)據(jù)處理設備,采用攪拌測量儀器即扭矩傳感器。扭矩傳感器采集完數(shù)據(jù)后,利用數(shù)據(jù)轉換和數(shù)據(jù)處理將扭矩轉換為浮選能量。本試驗采用北京世通科創(chuàng)有限公司專業(yè)測量扭矩參數(shù)的TQ-662型傳感器,傳感器采用動態(tài)電阻應變法,將應變片貼在轉軸上組成應變電橋,接通電源就能夠獲得軸所受的扭矩。該扭矩經(jīng)壓/頻轉換成為頻率。使用2組聯(lián)軸器將扭矩傳感器連接在動力源和負載之間。扭矩傳感器的安裝方法如圖2所示。1.2.2機械有效功率的測試在浮選過程的有用功主要集中在浮選機的攪拌軸上,在煤泥浮選過程中,攪拌軸轉動所消耗的功率可通過扭矩傳感器測得的扭矩和從浮選機上測得的轉速計算后得到。式中:P為攪拌軸輸出的機械有效功率,W/h;M為攪拌軸的扭矩,N·m;N為浮選機的軸轉速(與主軸電機同步),r/min。首先測量浮選機空轉時(浮選槽內(nèi)沒有礦漿)的扭矩,結果如圖3所示。然后,向浮選機內(nèi)加入試驗要求的礦漿,測量加入礦漿后的扭矩。利用式(1)計算各轉速下空轉和負載時的功率,用負載功率減去空轉功率即為各轉速下的有效功率。根據(jù)W=P×t計算浮選輸入的能量W(其中,W為功;P為有效功率;t為時間)。2浮選條件及流程對實驗室型XFDⅢ0.75L充氣攪拌式浮選機由外部氣泵給氣。條件試驗的試驗步驟為:先向浮選機內(nèi)加入1/3容積的蒸餾水,接著加入煤樣,攪拌至完全潤濕后,再加入清水至浮選刻度線。通過單因素條件試驗確定最佳浮選操作條件:捕收劑煤油用量為320g/t,起泡劑仲辛醇用量為110g/t,浮選入料礦漿質量濃度為90g/L,充氣量為0.37m3/(m2·min)。在浮選機軸轉速分別為1500,1800和2100r/min時進行浮選試驗,考察浮選的能量消耗及產(chǎn)品特性。浮選速度試驗流程如下:首先加入煤漿潤濕、分散攪拌120s,與捕收劑接觸攪拌60s,與起泡劑接觸攪拌10s后開始刮泡。前2次刮泡時間均為30s,中間2次的刮泡時間各為60s,最后1次刮泡120s,得到J1,J2,J3,J4和J5這5種精煤產(chǎn)品以及尾煤共6種浮選產(chǎn)品,如圖4所示。3結果與討論3.1高轉速下精煤累積小煤及能量消耗分析為了研究浮選礦漿中不同可浮性顆粒對能量的需求,將浮選轉速分別設定為1500,1800和2400r/min進行浮選速度試驗,并測量瞬時扭矩,轉化為瞬時功率,最后計算每個產(chǎn)品的累積輸入能量。表2所示為浮選時間與浮選指標的關系。從表2可見:隨著浮選的進行,精煤灰分含量越來越高,首先浮出的是低灰物料,最后浮出的是難浮的高灰物料;轉速為1800r/min時的精煤指標更接近于2100r/min時的精煤指標;當攪拌轉速增大時,精煤浮出量增大,精煤灰分含量也提高;在低轉速下通過延長浮選時間來保證回收率,在高轉速時更容易造成細泥夾帶。若以12%的精煤灰分含量為界,在轉速為1500r/min且累積刮泡時間為120s時,累積精煤灰分含量為11.96%,可燃體回收率為54.91%;而在轉速為1800r/min、累積刮泡時間為60s時,可燃體回收率為39.60%;在轉速為2100r/min、累積刮泡時間為30s時,可燃體回收率為34.35%。但是,隨著浮選時間的延長,高轉速下精煤可燃體回收率逐漸增大,在刮泡時間為300s時,高轉速下可燃體回收率要比低轉速下高12%以上,但精煤灰分含量也高0.76%,比低轉速時相比,高轉速下多浮出的這部分精煤應包含高灰的細粒和難浮的低灰粗顆粒,還有部分連生體礦粒。浮選能量輸入與精煤灰分含量以及可燃體回收率的關系如圖5所示。從圖5可見:在3種轉速下,隨著浮選的進行,輸入浮選過程的能量增大,精煤累積可燃體回收率和精煤累積灰分含量均增加;浮選機的轉速越大,輸入浮選體系能量的起點越高,浮選速度越快;當轉速為1500r/min時,精煤灰分含量和可燃體回收率曲線最陡峭,但隨著浮選的進行即浮選能量的進一步輸入,單位能量所浮出的精煤量也逐漸減小,也就是說,隨著浮選的進行,礦漿中煤粒的可浮性越來越差,單位質量煤粒上浮所需要的能量越來越大,因而可建立煤?？筛⌒耘c能量的關系;易浮礦物耗能低,難浮礦物耗能高。從圖5還可見:當可燃體回收率相差不大時,其消耗的能量差別很大,如轉速為1500r/min時,消耗0.18W的能量可以獲得灰分含量為13.27%、可燃體回收率為73.35%的精煤;而要獲得相同可燃體回收率,在轉速為1800r/min時需消耗能量0.35W,其精煤灰分含量為13.30%;當轉速為2100r/min時需消耗能量0.62W,其精煤灰分含量為12.7%,比前兩者的低。這是因為高轉速對礦漿起分散作用,且對礦物表面有剪切剝離作用。但是,在一定的浮選時間內(nèi),該實驗的浮選時間為5min,高能量輸入會使浮選過程進行得更完全,即在精煤灰分含量接近時能回收更多的精煤,如在浮選為5min時,當精煤灰分含量為14.03%、轉速為2100r/min時需消耗能量1.01W,其精煤累積可燃體回收率為85.91%;而當轉速為2100r/min時需消耗能量0.46W,其精煤累積可燃體回收率為81.06%。前者比后者多輸入能量0.55W,精煤可燃體回收率增加4.85%。圖6所示為不同精煤產(chǎn)品單位可燃體回收率的能量消耗。從圖6可見:隨著浮選過程的進行,精煤灰分含量逐漸增高,不同精煤產(chǎn)品單位可燃體回收率的能量消耗逐漸增大,特別是在浮選后期的產(chǎn)品J4和J5中,單位可燃體回收率精煤上浮所需要的浮選能量明顯比浮選前期的高。圖7所示為不同轉速條件下精煤灰分含量與可燃體回收率的關系。從圖7可見:當精煤累積可燃體回收率低于70%時,在同等精煤灰分含量條件下,低轉速下可獲得較高的可燃體回收率;當要求精煤累積可燃體回收率高于70%時,高轉速下能獲得更高的精煤可燃體回收率或者更低的精煤灰分含量,且在相同浮選時間條件下,高轉速條件下能獲得最高的精煤可燃體回收率。這一方面可以認為高轉速浮選過程多出的能量提高了精煤質量;另一方面,在相同的精煤灰分含量時,高轉速下的精煤可燃體回收率比低轉速下的高,浮選過程多出的能量提高了精煤可燃體回收率。3.2煤灰結構及產(chǎn)品特性當轉速為1500r/min時,尾煤由于能量低,其中有部分未回收的精煤組分;在轉速為2100r/min時,J5經(jīng)過前期的高能量攪拌,最后浮出,是所有精煤產(chǎn)品中能耗最高的,故對低能量未能浮出的精煤產(chǎn)品和高能量條件下才能浮出的精煤產(chǎn)品進行密度分析、粒度分析和掃描電鏡分析,結果見表3。從表3可知:粒度在0.125mm以上的顆粒中,61.19%的低灰粗顆粒未回收,而這部分物料的加權平均灰分含量為25.29%,比入料灰分含量(20.12%)稍高,應為煤與黏土共生的連生體。當轉速為1500r/min時尾煤產(chǎn)品密度如表4所示。從表4可見:密度低于1.5g/cm3的尾煤,產(chǎn)品的產(chǎn)率為43.31%,而灰分含量為10.47%,這部分低灰物料完全可以作為精煤,卻損失在尾煤中。結合表3的粒度分析,粒度低于0.074mm的灰分含量含量均在50%以上,可以推斷尾煤中密度低于1.5g/cm3級的灰分含量為粗粒級產(chǎn)品,在較低的浮選能量下很難上浮。為研究轉速為1500r/min時尾煤產(chǎn)品中密度低于1.5g/cm3的煤灰部分損失的原因,運用英國劍橋生產(chǎn)的S250掃描電鏡觀察其表面形貌,結果見圖8。從圖8可以看出:黏附在煤表面的主要成灰物質為異質細泥,其含量大于煤的含量,大量的細泥黏土礦物以罩蓋的形式黏附在粗粒煤表面,也有部分黏土礦物嵌布在煤的裂隙中,還有部分黏土礦物與煤粒共生,形成連生體礦物。這些黏土礦物的粒徑均在10μm以內(nèi),很難用浮選的方法將其有效地與煤粒分離,而煤粒的粒徑均在100μm以上。細泥和煤夾帶在一起,阻礙煤對浮選藥劑的吸附;同時,細泥粒度小,其比較面積高,大量消耗浮選藥劑,在浮選過程中與煤競爭性吸附,造成浮選藥耗高,而浮選的精煤質量又難以保證,在一定的浮選藥劑用量條件下,部分低灰粗粒煤也難以回收,只能通過技術手段加強礦漿的分散,促進捕收劑在低灰粗粒煤表面的充分吸附以及目的煤粒與氣泡的有效碰撞,這均需要有足夠的能量。轉速為2100r/min時的產(chǎn)品J5是在高轉速條件下最后浮出的,其刮泡時間為120s,較任何產(chǎn)品的耗能高,研究其產(chǎn)品特性對該煤泥在浮選過程中的能量消耗特點有指導意義。轉速為2100r/min時產(chǎn)品J5粒度如表5所示。從表5可以看出:最后通過高能量浮出的精煤產(chǎn)品是灰分含量,其含量高達28.65%,其原煤產(chǎn)率為3.46%,且各粒級的灰分含量較高,最小的在0.5mm以上,其灰分含量含量為18.27%。比較產(chǎn)品J5和尾煤產(chǎn)品的灰分含量可知:在粒度大于0.125mm的煤灰中,兩者產(chǎn)品的精煤灰分含量類似,說明J5中高能量浮出的粗顆粒產(chǎn)品均為煤巖連生體;在粒度小于0.125mm的煤灰中,J5的灰分含量比尾煤的灰分含量低30%左右;細粒級的煤巖解離較為充分,J5中粒度低于0.125mm的煤灰中應有低灰部分與高灰部分混雜。當轉速為2100r/min時產(chǎn)品J5和尾煤產(chǎn)品密度見表6。從表6可見:J5中22%以上的低灰產(chǎn)品其加權精煤灰分含量為7.74%。與表5所示的粒度結合分析,這部分低灰物料的組成主要為微細粒級顆粒,因其比表面積小,與氣泡的碰撞概率低,在較低能量條件下很難將其回收。從轉速為2100r/min的尾煤產(chǎn)品密度也可以看出,有18%左右的低灰產(chǎn)品(灰分含量小于11%)未合理回收,所以,在浮選過程中,低灰的微細顆粒的回收是影響浮選回收率的關鍵。粒度大于0.25mm的灰分含量為20%左右,幾乎接近尾礦中該粒級的灰分含量,稍高于原礦中該粒級的灰分含量(16%左右)。所以,在高能量下,部分粗粒級的高灰